, 李博, 祝鹏程, 王琦伟 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2022-01-21
基金项目：国家自然科学基金资助项目(52174071)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N180701005)。
作者简介：贾蓬(1973-), 女, 内蒙古呼和浩特人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要：为研究高温损伤后砂岩的电学响应特征, 对常温和经过200，400，500，600，800 ℃加热水冷却后的绿砂岩岩样开展了单轴压缩试验, 并实时监测了岩样在压缩过程中的电阻率变化规律.结果表明：对应于岩石在单轴压缩过程中的压密阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹快速扩展阶段和破坏阶段, 高温水冷却岩石电阻率的变化表现为电阻率小幅增加、电阻率平稳增加、电阻率增幅加大、电阻率急剧下降四个阶段.当加热温度低于400 ℃时, 在初始压密段, 电阻率变化率低于10%, 当加热温度高于400 ℃后, 在初始压密段电阻率变化率变化幅度增大, 加热温度为800 ℃时, 在初始压密段的电阻率变化幅度达50%左右, 表明初始压密段电阻率的变化率可以反映岩石的初始损伤程度；当压力达到岩石峰值强度的80%~90%时, 电阻率变化率达到峰值, 随后出现骤降, 说明电阻率变化率曲线的突降可以作为岩石发生破坏的电学前兆；电阻率变化的各向异性特征能够在一定程度上反映受压岩石最终贯通裂纹出现的位置, 在潜在贯通裂纹附近的电阻率变化最为显著.
关键词：单轴压缩电阻率高温损伤前兆
Electrical Response Characteristics of High Temperature Damaged Sandstones Under Uniaxial Compression
JIA Peng
, LI Bo, ZHU Peng-cheng, WANG Qi-wei School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: JIA Peng, E-mail: polorjia@163.com.
Abstract: In order to study the electrical response characteristics of sandstones after high temperature, uniaxial compression tests were carried out on green sandstone samples at room temperature and heated at 200, 400, 500, 600 and 800 ℃, and the change law of resistivity during compression was monitored in real time. The results showed that corresponding to the compaction stage, stable crack growth stage, rapid crack growth stage and failure stage of rocks under uniaxial compression, the resistivity change of water-cooled high temperature sandstones shows four stages: small increase, steady increase, significant increase and sharp decrease of resistivity. When the heating temperature is lower than 400 ℃, the resistivity changing rate in the initial compaction state is under 10%, while when the heating temperature is over 400 ℃, the changing rate of resistivity increases and can be up to 50%when the heating temperature is 800 ℃. This indicates that the changing rate of resistivity can reflect the incipient damage degree in rocks. When the compressive pressure reaches 80%~90%of the peak strength, the changing rate of resistivity reaches its peak value, and then decreases sharply, which can be used as a precursor of rock failure. The anisotropic characteristics of resistivity change can indicate the location of the penetrated crack in such a way that the most significant change of resistivity can be observed near the upcoming penetrated crack.
Key words: uniaxial compressionelectrical resistivityhigh temperaturedamageprecursor
岩体中存在大量从微观到细观直至宏观的多尺度缺陷, 岩石损伤破坏过程中, 由于孔隙度和孔隙结构的变化, 孔隙裂隙等缺陷的发育、扩展和贯通, 岩石内部结构逐渐发生改变而引起岩石电阻率的改变[1-2].电阻率是岩石的基本物理参数之一, 用来表征岩石的导电性, 进而反映岩石的损伤.早在20世纪60年代, 人们就发现岩石的电阻率变化与其破裂具有明显的相关性, 并将其应用于地震的预测[3-4].
Brace[5]于1966年就在实验室研究了岩石在应力作用下电阻率的变化, 将电阻率的变化归结为岩石的体积膨胀以及孔隙状态的改变.波兰****Stopinski[6]在矿井下观测到由于岩层受压或发生动力破坏而引起的电阻率变化现象.Chen等[7]在上述研究的基础上, 通过试验证实岩石内部裂隙的变化会引起相应的岩石电阻改变, 所有电阻-应变曲线上都存在一个对应于岩石开裂应力电阻最小值.李术才等[8]利用四极法, 对单轴受载砂岩进行了电阻率和声发射的监测, 发现电阻率和声发射的响应信息有很强的规律性和互补性.付艳春等[9]对泥岩、灰岩和砂岩破坏过程中的电阻率变化特性的测试结果也表明, 可以利用岩石破坏过程的屈服点电阻率突变现象判断临界破坏前兆.王桦等[10]通过试验研究了两淮煤系地层主要岩石的导电性随电流、电压、应力的变化特性, 发现岩石电阻率与应力之间存在较好的相关性.Wang等[11]研究了在单轴压缩下岩石电阻率变化与弹性模量的关系.Zhang等[12-13]使用电阻率评价不同加热温度后砂岩的单轴压缩过程的损伤情况.上述研究说明通过分析岩石破坏过程中的电学响应信息来预测岩石的破坏是可行的.
此外, 在地震学中, 电阻率的各向异性变化特征常常被用于分析与震源孕育有关的前兆信息, 这是由于新生裂隙及其发展和定向排列会导致不同测量方向的电阻率变化幅度存在显著的差异, 即电阻率的各向异性.安金珍等[14]在岩石样品的一个自由表面以对称四极法布设了与加压方向平行、垂直和45°斜交的三条共中心点的辐射状测线, 发现电阻率变化有明显的方向性；陈峰等[15]研究了加载过程中电阻率的变化, 发现岩石电阻率变化的各向异性与微裂隙的扩展方位有关；陈鹏等[16]发现在受载过程煤岩平行和垂直层理方向的电阻率呈不同的变化趋势；Jia等[17]发现电阻率变化规律与测试电极和破裂面相对位置具有相关性.
岩石的电学性质受到多种因素的影响, 如岩石的矿物成分、结构、构造, 岩石的空隙、裂隙发育情况及含水程度等, 目前的研究多是针对均匀完整岩石在单轴加载过程中的电阻率变化, 而对于损伤岩石, 尤其是经历高温后, 内部发生矿物成分改变、矿物颗粒膨胀导致损伤的岩石在压缩荷载作用下的电学响应特性尚不明确, 相应的电学响应特征如何反映岩石的初始损伤状况和损伤过程还不清楚.因此, 本文针对经历不同高温损伤后的砂岩岩样在单轴压缩过程中的电阻率响应规律开展研究, 为利用岩石的电学响应特征预测具有不同初始损伤岩石破坏提供实验基础.
1 试验装置及方法将取自同一块岩石的绿砂岩按照国际岩石力学学会(ISRM)试验标准制成直径50 mm、高度100 mm的圆柱体岩样, 选择表面完整无裂缝的岩样, 利用超声波测试选取初始横波相近的岩样作为试验岩样.
为研究高温损伤后岩石在单轴压缩过程中的电阻率特征, 采用日本新宝MYC-5电窑炉, 将加热温度分别设置为200，400，500，600，800 ℃共5级, 以2 ℃/min进行升温, 升温达到指定温度后保持4 h, 然后将试件迅速取出放入室温水中进行冷却, 冷却时间不低于4 h, 然后开展单轴压缩试验.高温加热后的岩石试件如图 1所示, 可以看到加热温度高于400 ℃后, 绿砂岩的颜色由绿色变为砖红色, 说明其内部矿物成分有所变化.为讨论由此可能产生的电阻率变化, 对岩样按图 2方式进行电极布置和测试准备.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 高温加热后岩样Fig.1 Sandstone samples heated at different temperatures |
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 试验装置及电极布置Fig.2 Test device and electrode arrangement (a)—试验装置；(b)—电极布置. |
分别采用二极法和四极法对岩样的电阻率进行测试.首先利用二极法把电极对称布置于岩石的上下两端, 测量整个岩石的电阻率来反映温度对未受载岩石电阻率的影响；利用四极法对高温处理后的岩样在单轴受压过程中的电阻率变化进行测试, 从而避免接触电阻的影响, 对岩样局部电阻率的变化进行监测.试验时利用石墨导电胶在岩样上下两端粘贴0.04 mm厚的供电铜电极A，B, 为获得岩样压缩过程中不同区域的电阻率变化, 分别在距岩石上下端面的1/3处的侧面上粘贴了20 mm×10 mm的3对测量电极M1N1，M2N2，M3N3.为避免水分蒸发, 用环氧树脂对岩样表面进行封水.
电阻率采集系统为四通道R6100无纸记录仪, 采样频率为1 Hz.其中一个通道测量电流, 其余三通道测试电压, 并根据式(1)计算电阻率, 利用式(2)计算电阻率的变化率.为避免直流电所带来的极化影响, 采用24 V交流电进行供电.
 | (1) |
 | (2) |
将准备好的试件上下表面放置绝缘板, 采用位移加载控制方式进行单轴加载, 加载速率控制在0.002 mm/s, 并实时测量岩样在单轴加载过程中的电阻率.试验装置及电极布置如图 2所示.
2 试验结果及分析2.1 高温损伤对砂岩物理力学性能的影响图 3为不同温度热处理后砂岩的应力-应变曲线, 可以看到随着加热温度的增高, 岩石的强度和弹性模量逐渐降低.值得注意的是相较于常温岩样, 加热温度为400 ℃时, 砂岩的压密阶段有所减少, 这是由热膨胀力导致砂岩内部裂隙被压密造成的；而超过400 ℃后, 砂岩的压密段显著增加, 破坏时的变形显著增大, 这是由于绿砂岩主要矿物颗粒为石英、长石(斜长石、微斜长石)、云母等, 胶结物主要为绿泥石和碳酸盐, 在573 ℃附近, 石英晶体会由α向β相转变, 引起微裂隙增多, 而在800 ℃时则由于长石的多晶形转变会加剧砂岩内部的损伤[18-19].
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 热处理后砂岩的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of the heated sandstones |
图 4比较了不同温度热处理后岩石抗压强度、峰值应变和弹性模量的变化情况.可以看到当加热温度超过400 ℃时, 岩石的弹性模量显著下降, 说明热应力对砂岩内部造成的损伤加剧, 对应的峰值应变也显著增加, 因此400 ℃可以视为绿砂岩热损伤加剧的阈值.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 加热后砂岩的单轴抗压强度、峰值应变和弹性模量Fig.4 Compressive strength, peak strain and elastic modulus of the heated sandstone samples |
图 5为不同温度加热后砂岩的孔隙率与电阻率的关系.由于受热应力的影响, 砂岩颗粒间相互挤压破坏, 产生微裂隙和微观结构损伤, 孔隙率在常温时为9.38%, 当加热温度达到800 ℃后增长为17.492%, 增幅达86.49%.热损伤造成的孔隙率变化必然引起砂岩导电性的改变, 由利用二极法测量的砂岩电阻率可以看出, 电阻率与砂岩热损伤具有明显的相关性：初始电阻率随着孔隙率的升高而降低, 满足阿尔奇公式[20]：
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 砂岩的孔隙率与电阻率关系曲线Fig.5 Relationship between porosity and resistivity |
 | (3) |
2.2 高温损伤砂岩的电阻率响应选择电阻率变化最敏感的测线测得的电阻率数据与岩石应力-应变曲线绘制于图 6, 可以看到电阻率变化与单轴受压砂岩的应力-应变曲线具有明显的对应关系：1)当加热温度低于400 ℃时, 在初始压密段, 电阻率变化率低于10%；当加热温度高于400 ℃后, 可发现在初始压密段电阻率变化率变化幅度增大；加热温度为800 ℃时, 在初始压密段的电阻率变化幅度达50%左右, 这说明初始压密段电阻率的变化率可以反映岩石的初始损伤程度.高温形成的热应力使岩石内部损伤增大, 在加载时初始压密段增加, 岩石空隙被压密, 导水性降低, 从而导致电阻率迅速增大, 电阻率变化率明显增加；2)随着荷载增加, 岩石被逐渐压密, 岩石的导电性进一步降低, 电阻率呈稳定上升趋势；3)当压力达到岩石峰值强度的70%左右, 电阻率变化率由稳定上升开始出现明显增加, 说明此时岩石内部微裂纹出现快速扩展；4)当压力达到岩石峰值强度的80%~90%时, 电阻率变化率达到峰值, 随后出现明显下降, 说明宏观裂纹形成贯通裂纹促成导水通路的形成使电阻发生急剧下降；压力继续增加, 岩石达到峰值强度, 随后发生破坏, 由此可见, 电阻率的变化能够反映受载岩石的损伤, 且电阻率变化率曲线的突降可以作为岩石发生破坏的电学前兆.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 热损伤砂岩的应力-应变曲线及电阻率变化率曲线Fig.6 Stress-strain curve and resistivity changing curve of the heated sandstones (a)—25 ℃；(b)—200 ℃；(c)—400 ℃；(d)—500 ℃；(e)—600 ℃；(f)—800 ℃. |
2.3 高温损伤砂岩电阻率的各向异性为获得砂岩不同部位电阻率变化特征与砂岩最终破裂位置的相互关系, 试验时分别在岩样的侧壁布置了3对测量电极M1N1，M2N2，M3N3, 测量圆柱形岩样的不同侧立面位置的电阻率变化, 为表述简洁, 此处将M1N1电极所在位置称为测线1, 将M2N2电极所在位置称为测线2, 以此类推.
图 7为不同温度作用后砂岩不同测线位置电阻率变化率与应力-应变曲线的关系, 从图 7可以看出, 3条测线的电阻率变化总体规律相同, 但变化幅度不同, 其中一条电阻率测线的电阻值变化幅度最为显著.由图 8不同温度损伤砂岩在不同测线位置附近的裂纹素描图可以发现, 电阻率变化幅度最显著的测线往往与最终形成的贯通裂纹相交或接近.这是由于两电极之间电流的流向与形成的贯通裂纹走向较为一致, 由于贯通裂隙造成导水性的变化, 使得该处电极测得的电流变化更为明显, 因而电阻率变化幅度更为显著.这说明电阻率变化的各向异性有助于反映贯通裂纹的位置.需要说明的是，由图 7不同测线的电阻率变化可以看出, 电阻率在发生急剧下降后有些测线的电阻率会出现快速上升, 这是由于该处裂隙发生开裂破坏导致电阻率急剧增大.图 9为对应不同温度处理后砂岩单轴压缩破坏形态, 可以看出随着加热温度的升高, 砂岩的破碎程度增加, 整体破坏形式以拉破坏为主.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 热损伤砂岩不同测线位置电阻率变化率与应力-应变曲线的关系Fig.7 Resistivity change monitored by different electrodes and stress-strain curve of heated sandstones (a)—25 ℃；(b)—200 ℃；(c)—400 ℃；(d)—500 ℃；(e)—600 ℃；(f)—800 ℃. |
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 热损伤砂岩单轴受压不同测线位置处裂纹素描图Fig.8 Crack sketches of heated sandstones under uniaxial compression (a)—25 ℃；(b)—200 ℃；(c)—400 ℃；(d)—500 ℃；(e)—600 ℃；(f)—800 ℃. |
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 热损伤砂岩单轴压缩破坏形态Fig.9 Failure modes of heated sandstones under uniaxial compression |
3 结论1) 高温水冷却岩石在单轴压缩过程中电阻率的变化对应于岩石的压密阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹快速扩展阶段和破坏阶段表现为电阻率小幅增加、电阻率平稳增加、电阻率增幅加大、电阻率急剧下降四个阶段.
2) 在本试验条件下, 当加热温度低于400 ℃时, 在初始压密段, 电阻率变化率低于10%, 当加热温度高于400 ℃后, 在初始压密段电阻率变化率变化幅度增大, 加热温度为800 ℃时, 在初始压密段的电阻率变化幅度达50%左右, 初始压密段电阻率的变化率可以反映岩石的初始损伤程度.
3) 电阻率变化率与单轴受压过程中的砂岩应力-应变曲线具有明显的对应关系, 当压力达到岩石峰值强度的70%左右, 电阻率变化率由稳定上升开始出现明显增加, 当压力达到岩石峰值强度的80%~90%时, 电阻率变化率达到峰值, 随后出现骤降, 说明电阻率的变化能够反映受压岩石的损伤, 电阻率变化率曲线的突降可以作为岩石发生破坏的电学前兆.
4) 电阻率变化的各向异性特征能够在一定程度上反映受压岩石最终贯通裂纹出现的位置, 在潜在贯通裂纹附近的电阻率变化最为显著.
参考文献
| [1] | Sun Q, Zhu S Y, Xue L. Electrical resistivity variation in uniaxial rock compression[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2015, 133: 565-577. |
| [2] | Lü C, Sun Q. Electrical resistivity evolution and brittle failure of sandstone after exposure to different temperatures[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering, 2017, 51: 639-645. |
| [3] | Parkhomenko E I, Bondarenko A T. Geophysics series.Effect of uniaxial pressure on electrical resistivity of rocks[J]. Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR, 1960(2): 326. |
| [4] | Yamazaki Y. Electrical conductivity of strained rocks: laboratory experiments on sedimentary rocks[J]. Bulletin of the Earthquake Research Institute, 1965, 43: 783-802. |
| [5] | Brace W F. Electrical resistivity changes in saturated rock under stress[J]. Science, 1966, 153(3743): 1525-1526. DOI:10.1126/science.153.3743.1525 |
| [6] | Stopinski W. Precursory rock resistivity variations related to mining tremors[J]. Acta Geophys, 1982, 30(4): 293-320. |
| [7] | Chen G Y, Lin Y M. Stress-strain-electrical resistance effects and associated state equations for uniaxial rock compression[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2004, 41: 223-236. |
| [8] | 李术才, 许新骥, 刘征宇, 等. 单轴压缩条件下砂岩破坏全过程电阻率与声发射响应特征及损伤演化[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(1): 14-23. (Li Shu-cai, Xu Xin-ji, Liu Zheng-yu, et al. Electrical resistivity and acoustic emission response characteristics and damage evolution of sandstone during process of uniaxial compression[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(1): 14-23.) |
| [9] | 付艳春, 张卫强, 刘荡平. 岩石破坏与电阻率变化特征研究[J]. 煤炭技术, 2016, 35(4): 97-99. (Fu Yan-chun, Zhang Wei-qiang, Liu Dang-ping. Research on rock failure and resistivity variation feature[J]. Coal Technology, 2016, 35(4): 97-99.) |
| [10] | 王桦, 纪洪广, 程桦, 等. 两淮煤系地层主要岩石单轴受压条件下的导电特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(8): 1631-1638. (Wang Hua, Ji Hong-guang, Cheng Hua, et al. Experimental study of electrical conductivity of main rocks in strata of Huaibei and Huainan coalfield under uniaxial compression[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(8): 1631-1638.) |
| [11] | Wang Y H, Liu Y F, Ma H T. Changing regularity of rock damage variable and resistivity under loading condition[J]. Safety Science, 2012, 50(4): 718-722. DOI:10.1016/j.ssci.2011.08.046 |
| [12] | Zhang W, Sun Q, Hao S Q, et al. Experimental study of the effect of thermal damage on resistivity and mechanical properties of sandstone[J]. Acta Geodynamica et Geomaterialia, 2016, 13(2): 185-192. |
| [13] | Zhang W, Sun Q, Zhu S, et al. The effect of thermal damage on the electrical resistivity of sandstone[J]. Journal of Geophysics and Engineering, 2017, 14: 255-261. |
| [14] | 安金珍, 修济刚, 陈峰, 等. 单轴压力下有补给水岩石电阻率变化各向异性研究[J]. 中国地震, 1996(3): 300-306. (An Jin-zhen, Xiu Ji-gang, Chen Feng, et al. Anisotropy studies of rock resistivity changes under uniaxial pressure and water replenishment[J]. Earthquake Research in China, 1996(3): 300-306.) |
| [15] | 陈峰, 安金珍, 廖椿庭. 原始电阻率各向异性岩石电阻率变化的方向性[J]. 地球物理学报, 2003, 46(2): 271-280. (Chen Feng, An Jin-zhen, Liao Chun-ting, et al. Directional characteristic of resistivity of resistivity changes in rock of original resistivity anisotropy[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2003, 46(2): 271-280.) |
| [16] | 陈鹏, 王恩元, 朱亚飞. 受载煤体电阻率变化规律的实验研究[J]. 煤炭学报, 2013, 38(4): 548-553. (Chen Peng, Wang En-yuan, Zhu Ya-fei. Experimental study on resistivity variation regularities of loading coal[J]. Journal of China Coal Society, 2013, 38(4): 548-553.) |
| [17] | Jia P, Li L, Liu D Q, et al. Insight into rock crack propagation from resistivity and ultrasonic wave variation[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2020, 109: 102758. |
| [18] | Liu Q, Qian Z, Wu Z. Micro/macro physical and mechanical variation of red sandstone subjected to cyclic heating and cooling: an experimental study[J]. Bulletin of Engineering Geology & the Environment, 2017, 38(2): 15-20. |
| [19] | Yin W, Feng Z, Zhao Y. Effect of grain size on the mechanical behaviour of granite under high temperature and triaxial stresses[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2021, 54(2): 1-14. |
| [20] | Olsen A P. Coarse-scale resistivity for saturation estimation in heterogeneous reservoirs based on Archie's formula[J]. Geophysics, 2011, 76(2): 35-43. |
